Nghiên cứu, mô phỏng sự ảnh hưởng của địa hình và các công trình chỉnh trị trên bãi tại một số cửa sông, ven biển tỉnh Nam Định đến cơ chế lan truyền và suy giảm chiều cao sóng - Doãn Tiến Hà

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢ I SỐ 18 - 2013 1 NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH VÀ CÁC CÔNG TRÌNH CHỈNH TRỊ TRÊN BÃI TẠI MỘT SỐ CỬA SÔNG, VEN BIỂN TỈNH NAM ĐỊNH ĐẾN CƠ CHẾ LAN TRUYỀN VÀ SUY GIẢM CHIỀU CAO SÓNG ThS. Doãn Tiến Hà Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Động lực học sông biển Tóm tắt: Bờ biển Nam Định đoạn cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang trong nhiều năm qua luôn diễn ra hiện tượng xói và xâm thực bãi dẫn đến sạt lở bờ, đê biển. Một trong những nguyên nhân chính là sóng biển. Do đó, nghiên cứu quá trình lan truyền sóng dưới ảnh hưởng của địa hình khu vực và các công trình chỉnh trị bố trí trên bãi có ý nghĩa thực tiễn cao. Bài báo trình bày kết quả ứng dụng m ô hình toán để mô phỏng, đánh giá cơ chế lan truyền sóng trong điều kiện địa hình bãi tự nhiên và hiệu quả làm suy giảm sóng của các công trình chỉnh trị tại khu vực. Mô hình đã được kiểm định với số liệu sóng đo đạc tại hiện trường, các kết quả kiểm định cho thấy có thể ứng dụng mô hình để tính toán thực tế với độ tin cậy đảm bảo. Từ khóa: Lan truyền sóng, Suy giảm sóng Summary: The Nam Dinh coastline from Ba Lat estuary to Lach Giang estuary for many years always going developments of the coastline, beaches, mainly erosion and cavitation phenomena beach leading to erosion shore, sea dykes. One of the main causes affecting the process of erosion, destructive in this region is sea wave. Therefore, the study of wave propagation under the influence of regional topography and regulation structures on the yard layout is very practical significance. This paper presents the results of a m athem atical m odel applied to the sim ulation and evaluation m echanism in the propagation conditions and natural terrain park to wave attenuation effect schemes of regulation structures in the area. The model has been verified with m easured wave data in the field, the test results show that the m odel can be applied to actual calculations with guaranteed reliability. Key words: Propagation wave, Decay wave. I. GIỚI THIỆU CHUNG Hình 1. Vị trí địa lý ven bờ từ Ba Lạt đến cửa Lạch Giang Dải bờ biển từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang có chiều dài khoảng 65 km. Đây là một vùng trọng điểm sạt lở bãi, đê biển, cần có các giải pháp khoa học công nghệ ổn định bờ biển [4]. Khi nghiên cứu các giải pháp công trình cần xem xét đến hiệu quả của các giải pháp đó. Công trình phải phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội của địa phương, không gây tác động tiêu cực đến môi trường và tai biến cho các khu vực lân cận [3]. Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu và tính toán quá trình lan truyền sóng và sự suy giảm sóng dưới ảnh hưởng của điều kiện địa hình bãi, công trình chỉnh trị tại khu vực này. Mô hình được kiểm chứng qua số liệu thực đo về sóng, mực nước và các số liệu thu thập về địa hình bờ, bãi. Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Khắc Nghĩa Ngày nhận bài: 14/6/2013 - Ngày thông qua phản biện: 31/7/2013 - Ngày duyệt đăng: 25/9/2013 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 18 - 2013 II. CÁC KẾT Q UẢ TÍNH TOÁN 2.1. Thiết lập mô hình Mike21 SW . Trong tính toán mô hình sóng nói chung, việc thiết lập mô hình, lựa chọn miền tính, lưới tính là bước quan trọng quyết định đến toàn bộ các vấn đề liên quan cũng như chất lượng của mô hình. Việc lựa chọn và thiết lập miền tính, lưới tính cho khu vực ven bờ từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang được trình bày trên Hình 2. Miền tính toán bao gồm biên ngoài khơi tại độ sâu 20m (có điểm đo sóng thực tế), biên phía Bắc và biên phía Nam bao toàn bộ khu vực cửa Ba Lạt và cửa Lạch Giang. Trong miền tính này có 02 mặt cắt có số liệu dùng để tính toán sóng thiết kế đê biển (Giao Xuân và Hải Hòa) theo Tiêu chuẩn thiết kế đê biển năm 2012 [5]. Lưới tính toán gồm 23039 nút và 64431 phần tử. Hình 2. Miền tính, địa hình và lưới tính khu vực nghiên cứu từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang 2.2. Kết quả kiểm định mô hình về mực nước. Đã tính toán kiểm chứng với 02 chuỗi mực nước đo đạc thực tế tại khu vực cửa Ba Lạt và cửa Lạch Giang [2], thời gian từ 5-13/11/2009. Kết quả kiểm định mực nước được thể hiện trong hình 3 và hình 4. Hình 3. So sánh giữa mực nước thực đo và tính toán tại cửa Ba Lạt Hình 4. So sánh giữa mực nước thực đo và tính toán tại cửa Lạch Giang Dùng chỉ tiêu Nash (Nash and Sutcliffe 1970) để kiểm định sai số của mô hình. Hệ số Nash- Sutcliffe có thể từ - ∞ đến 1. Hệ số = 1 là kết quả hoàn hảo của mô hình và các dữ liệu quan trắc [1]. Trị số Nash đánh giá sai số mực nước tại Lạch Giang và Ba Lạt như sau: Tham số Nash ở cửa Lạch Giang là 0,84; cửa Ba Lạt là 0,91. Đây là kết quả rất tốt, có thể áp dụng để tính toán thực tế. 2.3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với chuỗi số liệu sóng Kết quả kiểm định với chuỗi số liệu thực đo từ 15h ngày 6/8/2006 đến 21h ngày 13/8/2006 với OBS đo 3h/1 lần tại hai trạm ở vùng biển Hải Hậu-Nam Định [3]: Trạm T1 có tọa độ 20002.0'N-106021.15'E tại độ sâu 20.0m; Trạm T2 có tọa độ 20005.548'N-106020.794'E tại độ sâu 10m. Trạm T1 được lấy làm số liệu biên đầu vào cho mô hình. Kết quả tính toán hiệu chỉnh được trích tại vị trí trạm T2 để so sánh với số liệu thực đo (xem trên Hình 2). KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢ I SỐ 18 - 2013 3 Sau khi đã tính toán hiệu chỉnh, các tác giả đã tiến hành tính kiểm định mô hình với số liệu thực đo tại khu vực. Kết quả kiểm định (Hình 5) cho giá trị khá tốt. Sai số nhỏ nhất giữa tính toán và thực đo là 1.9%, lớn nhất là 21.2%, trung bình là 8.5%. Các giá trị tính kiểm định là nhỏ hơn so với số liệu thực đo bởi vì ở đây tác giả không tính đến yếu tố gió, dòng chảy. Hình 5. Kết quả tính toán kiểm định chiều cao sóng Có thể thấy mô hình hoàn toàn có khả năng phản ánh khá tốt bức tranh động lực về sóng. Do đó hoàn toàn có cơ sở để sử dụng mô hình để nghiên cứu và tính toán các quá trình sóng tại khu vực ven bờ với các điều kiện khác nhau. 2.4. Các kịch bản và điều kiện biên phục vụ tính toán 2.4.1. Các kịch bản tính toán: Bảng 1. Kịch bản và các phương án tính toán tại khu vực nghiên cứu TT Phương án tính Ghi chú 1 Tính toán đối với khu vực cửa Ba Lạt a Tính toán với hiện trạng bãi bồi phát triển năm 2010 Xem hình 7 b Tính toán với hiện trạng bãi bồi phát triển năm 1990 Xem hình 6 c Tính toán với dự báo bãi bồi phát triển năm 2025 Xem hình 8 2 Tính toán đối với khu vực cửa Lạch Giang a Tính toán với phương án bãi hiện trạng năm 2010 Xem hình 10 b Tính với phương án công trình 1 (PA1) Xem hình 11 c Tính với phương án công trình 2 (PA2) Xem hình 12 3 Tính toán đối với khu vực cống Thanh Niên a Tính toán với phương án bố trí 05 mỏ hàn chữ T đặt vuông góc với bờ Xem hình 15 b Tính toán với phương án bố trí 05 đê phá sóng song song với bờ Xem hình 16 2.4.2. Điều kiện biên phục vụ tính toán: Điều kiện biên về mực nước và sóng phục vụ cho cả quá trình tính toán được trích xuất từ số liệu trong Tiêu chuẩn thiết kế đê biển mới ban hành năm 2012 [5], cụ thể số liệu đầu vào như sau: Bảng 2. Số liệu đầu vào phục vụ tính toán sóng khu vực nghiên cứu Cấp tần suất Sóng Mực nước tổng cộng Hs (m) T (s) Hướng (độ) Hw (m) P=1% 4.63 11.75 45 3.482 90 135 P=5% 3.50 10.89 45 2.214 90 135 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 18 - 2013 Mỗi cấp tần suất sóng và mực nước tính toán cho khu vực được tính theo 03 hướng lan truyền khác nhau đó là hướng Đông Bắc (NE=450), hướng Đông (E=900) và hướng Đông Nam (SE=1350). 2.5. Kết quả tính toán sự lan truyền sóng vào khu vực nghiên cứu. 2.5.1. Đối với khu vực cửa Ba Lạt: - Với các phương án bãi hiện trạng và bãi bồi tại khu vực cửa Ba Lạt theo các tần suất và hướng khác nhau cho thấy sóng có sự suy giảm khi tiến vào vùng nước nông do ảnh hưởng của địa hình đáy. Hình 6. Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt năm 1990 Hình 7. Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt với địa hình hiện trạng năm 2010 Hình 8. Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt năm 2025 Hình 9. Tỷ lệ suy giảm chiều cao sóng theo hướng NE so với hướng E khi lan truyền vào khu vực cống Thanh Niên với các kịch bản phát triển bãi bồi (trường hợp tính P=1%) - Kết quả tính toán tại khu vực cửa Ba Lạt cho thấy, khi bãi bồi phát triển ở cửa Ba Lạt như một mỏ hàn tự nhiên (theo tài liệu thu thập và phân tích ảnh viễn thám qua nhiều thời kỳ tại khu vực nghiên cứu) tương ứng với chiều dài: 11.5 km năm 1990; 12.5 Km năm 2010 và dự báo cho 2015 là: 13,5÷14.0km (xem hình 6÷8) che chắn cho khu vực lân cận, điều này có tác dụng làm giảm sóng đối với khu vực xung quanh, nhất là đối với khu vực cống Thanh Niên (Bảng 3). 2.5.2. Kết quả tính toán đối với khu vực cửa Lạch Giang: - Kết quả tính toán với bãi hiện trạng năm 2010 theo tần suất P=1% và P=5% cho thấy hướng sóng bất lợi nhất khi truyền vào khu vực cửa Lạch Giang là hướng SE. Tuy nhiên, sự suy giảm chiều cao sóng khi truyền vào trong cửa cũng không chênh lệch nhiều theo các hướng truyền khác nhau. Trường sóng tính toán đại diện cho hướng NE, cấp tần suất P=1% được thể hiện trong hình 10. Bảng 3. Tỷ lệ suy giảm chiều cao sóng tại khu vực cống Thanh Niên khi lan truyền theo hướng NE so với các hướng E và SE TT Phương án tính toán 1 Trường hợp với bãi bồi năm 1990 2 Trường hợp với bãi bồi năm 2010 3 Trường hợp với bãi bồi năm 2025 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢ I SỐ 18 - 2013 5 Hình 10. Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang hướng NE, tần suất P=1% (Địa hình năm 2010) - Khu vực cửa Lạch Giang trong những năm gần đây đã bị biến đổi rất nhiều, bãi ở hai bên cửa xói mạnh, luồng lạch biến đổi, một trong những nguyên nhân chính là tác động của sóng. Để giảm thiểu, ngăn chặn tình trạng trên và có phương án chỉnh trị hợp lý, nhóm nghiên cứu đã đưa ra 02 phương án bố trí công trình chỉnh trị (xem hình 11 và hình 12). Bảng 4. Các thông số kỹ thuật về các phương án công trình chỉnh trị tại cửa Lạch Giang TT Tên công trình KH Dài (m ) C /trình đỉnh (m) 1 Phương án công trình 1 + Đê giảm sóng H1 300 +1.0 + Đê giảm sóng H2 300 +1.0 + Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dòng NC1 3200 +3.5 + Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dòng NC2 2550 +3.5 + Đê hướng dòng N1 400 cánh; 520 thân +3.5 + Đê hướng dòng N2 400 cánh; 620 thân +3.5 + Đê hướng dòng N3 400 cánh; 340 thân +3.5 2 Phương án công trình 2 + Đê ngăn cát, giảm sóng H1 400 cánh; 380 thân +3.5 + Đê ngăn cát, giảm sóng H2 400 cánh; 460 thân +3.5 + Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dòng NC1 3800 +3.5 + Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dòng NC2 3500 +3.5 + Đê hướng dòng N1 400 cánh; 550 thân +3.5 + Đê hướng dòng N2 400 cánh; 160 thân +3.5 Đây là các phương án công trình đa năng, vừa có tác dụng ngăn cát, ổn định tuyến luồng lạch đảm bảo thoát lũ và giao thông thủy, vừa có khả năng giảm sóng tác động đến khu vực cửa sông. Trong nghiên cứu này chủ yếu quan tâm đến hiệu quả làm suy giảm sóng để giúp các nhà quản lý có cơ sở lựa chọn phương án chỉnh trị hợp lý nhất. Kết quả tính toán trường sóng đại diện theo hướng NE, cấp tần suất P=1% đối với hai phương án công trình được thể hiện trong các hình 13 và hình 14 dưới đây. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 6 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 18 - 2013 Hình 11. Bố trí phương án công trình chỉnh trị tại cửa Lạch Giang (PA1) Hình 12. Bố trí phương án công trình chỉnh trị tại cửa Lạch Giang (PA2) Hình 13. Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang hướng NE, tần suất P=1% (PA1) Hình 14. Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang hướng NE, tần suất P=1% (PA2) - Kết quả của sự suy giảm chiều cao sóng khi có công trình chỉnh trị đối với khu vực cửa Lạch Giang được thể hiện trong các bảng 5 và bảng 6 dưới đây: Bảng 5 Suy giảm chiều cao sóng khi truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo các hướng khác nhau (tính toán với công trình PA1, tần suất P=1% ) TT Các hướng truyền sóng Suy giảm chiều cao sóng tại cửa sông sau khi có công trình bố trí theo PA1 (%) Ghi chú 1 NE 86.2 Chiều cao sóng đã bị suy giảm so với khi chưa có công trình 2 E 86.1 3 SE 79.0 Bảng 6. Suy giảm chiều cao sóng khi truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo các hướng khác nhau (tính toán với công trình PA2, tần suất P=1% ) TT Các hướng truyền sóng Sự suy giảm chiều cao sóng tại cửa sông sau khi có công trình bố trí theo PA2 (%) Ghi chú 1 NE 90.0 Chiều cao sóng đã bị suy giảm so với khi chưa có công trình 2 E 87.8 3 SE 91.6 Cả hai phương án chỉnh trị đối với khu vực cửa Lạch Giang đều cho hiệu quả suy giảm chiều cao sóng khá tốt và không có sự chênh lệch đáng kể về giá trị. Tuy nhiên, đối với PA1 sẽ cho không gian lưu thông tốt ở khu vực cửa, tạo khả năng thoát lũ, hoạt động giao thông thủy. Bên cạnh đó, với khoảng không phía trong rộng sẽ là điều kiện rất tốt để có thể neo đậu, trú ngụ của tàu thuyền. 2.5.3. Kết quả tính toán đối với khu vực cống Thanh Niên: - Bãi biển khu vực cống Thanh Niên trong những năm gần đây bị xói lở rất nghiêm trọng, biển đã tiến sát vào chân đê, sóng vỗ trực diện KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢ I SỐ 18 - 2013 7 vào đê biển. Do đó, cần phải có các phương án công trình trên bãi nhằm làm suy giảm sóng ở bên ngoài trước khi tiến vào khu vực đê biển. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã đưa ra 02 phương án bố trí công trình chỉnh trị tại khu vực cống Thanh Niên, bao gồm: + Phương án bố trí 05 mỏ hàn chữ T đặt vuông góc với bờ, mỗi mỏ hàn cách nhau một khoảng 150m; + Phương án bố trí 05 đê phá sóng song song với bờ, mỗi đê phá sóng đặt cách nhau một khoảng là 150m. Các thông số kỹ thuật của từng phương án được đưa ra trong bảng 7 dưới đây. Bảng 7. Các thông số kỹ thuật về các phương án công trình chỉnh trị tại khu vực cống Thanh Niên TT Tên công trình Dài (m) Rộng (m) C /trình đỉnh (m ) 1 05 mỏ hàn chữ T vuông góc với bờ 350 thân; 300 cánh 5.0 +3.5 2 05 đê phá sóng song song với bờ 300 5.0 +3.5 - Trường sóng tính toán đại diện cho hướng NE, tần suất P=1% tại khu vực nghiên cứu đối với cả hai phương án được thể hiện trong các hình 16 và 17 dưới đây. Hình 15. Trường sóng khu vực cống Thanh Niên theo hướng NE, tần suất P=1% (Phương án mỏ hàn chữ T) Hình 16. Trường sóng khu vực cống Thanh Niên theo hướng NE, tần suất P=1% (Phương án đê phá sóng song song với bờ) - Kết quả tính toán độ suy giảm chiều cao sóng đối với hai phương án công trình được thể hiện trong các bảng 8 và bảng 9 dưới đây. Các điểm trích xuất tại 03 điểm ở phía trước và phía sau của 03 công trình nằm ở giữa. Bảng 8. Kết quả suy giảm chiều cao sóng khi đi qua hệ thống m ỏ hàn chữ T, với P=1% Các hướng tác động Tỷ lệ suy giảm (%) Ghi chú T1 T2 T3 Hướng Đông Bắc (NE) 82.95 83.22 83.48 Chiều cao sóng đã bị suy giảm so với khi chưa có công trình Hướng Đông (E) 71.10 71.47 71.29 Hướng Đông Nam (SE) 81.57 81.73 81.45 Bảng 9. Kết quả suy giảm chiều cao sóng khi đi qua hệ thống đê phá sóng, với P=1% Các hướng tác động Tỷ lệ suy giảm (%) Ghi chú T1 T2 T3 Hướng Đông Bắc (NE) 35.26 35.16 36.96 Chiều cao sóng đã bị suy giảm so với khi chưa có công trình Hướng Đông (E) 53.48 50.20 50.79 Hướng Đông Nam (SE) 64.05 60.67 61.15 III. KẾT LUẬN - Mô hình tính toán quá trình lan truyền sóng đối với khu vực cửa sông, ven biển tại một số trọng điểm từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang đã được kiểm định qua các số liệu đo đạc khảo sát về mực nước, sóng cho kết quả đảm bảo KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 8 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 18 - 2013 làm cơ sở để nghiên cứu, tính toán các phương án khác. - Tính toán tại khu vực cửa Ba Lạt cho thấy, khi bãi bồi phát triển ở cửa Ba Lạt như một mỏ hàn tự nhiên (hình 6÷8) che chắn cho khu vực lân cận, có tác dụng làm giảm sóng đối với khu vực xung quanh, nhất là đối với khu vực cống Thanh Niên (Bảng 3). - Kết quả tính toán tại khu vực cửa Lạch Giang trong điều kiện bãi tự nhiên và khi có bố trí 02 phương án công trình chỉnh trị nhằm đánh giá hiệu quả của công trình trong việc làm suy giảm sóng khi tiến vào vùng cửa sông, đây cũng là cơ sở để lựa chọn phương án chỉnh trị tốt nhất tại khu vực. - Việc phải có công trình chỉnh trị nhằm bảo vệ bờ, đê biển và chống xói bãi do tác động của sóng biển tại khu vực cống Thanh Niên là rất cần thiết. Từ 02 phương án công trình nêu trên sẽ là cơ sở để giúp các nhà quản lý có những lựa chọn phương án tốt nhất đối với khu vực cần chỉnh trị. Trong nghiên cứu này mới chỉ tính đến một số phương án công trình tại các trọng điểm nghiên cứu, cần phải tính toán nhiều hơn nữa các phương án công trình chỉnh trị để có những đánh giá tốt, từ đó sẽ lựa chọn được phương án bố trí công trình chỉnh trị hợp lý nhằm giảm thiểu tác động của sóng, ổn định bờ, đê bãi và các tuyến luồng lạch đảm bảo giao thông thủy và thoát lũ cho vùng nghiên cứu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trương Văn Bốn, 2006. Dự tính mực nước thủy triều ven bờ vịnh Bắc Bộ bằng phần mềm Mike 21 HD. Tạp chí khoa học công nghệ Thủy Lợi số 3/10, 2006. [2]. Nguyễn Văn Hùng và nnk Viện KHTLVN “Điều tra hiện trạng các cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng (Ba Lạt, Trà Lý, Đáy, Ninh Cơ) kiến nghị các giải pháp khai thác một cách hoàn thiện phục vụ phát triển kinh tế”, Kết quả dự án ĐTCB năm 2009. [3]. Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk Viện KHTLVN “ Xác định chiều cao sóng trong tính toán thiết kế đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, Kết quả Đề tài trọng điểm cấp Bộ NN&PTNT 2007-2008. [4]. Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk Viện KHTLVN ”Theo dõi diễn biến sạt lở vùng cửa sông, ven biển Nam Định”, Kết quả dự án ĐTCB giai đoạn 2005-2011. [5]. Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển, Bộ NN&PTNT năm 2012.